海洋工程結(jié)構(gòu)物風載荷計算方法比較

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(武漢理工大學 交通學院,武漢 430063)

對于海洋結(jié)構(gòu)物而言風載荷是主要環(huán)境載荷。由于海洋工程結(jié)構(gòu)物具有種類多、上層建筑結(jié)構(gòu)復雜、高度不同等特點，對獲得準確的風載荷帶來了很大困難。風洞試驗是目前獲得風載荷最為可靠的方法，但風洞試驗試驗成本高、試驗周期長，設計時對每一個海洋工程結(jié)構(gòu)物進行風洞試驗是不切合實際的。國內(nèi)外學者提出了多種風載荷計算方法[1-5]。為提高海洋工程結(jié)構(gòu)物所受風載荷的計算精度，保證其作業(yè)安全，本文對目前海洋工程結(jié)構(gòu)物風載荷常用的計算方法進行了比較，并通過與實驗結(jié)果的比較選出適合計算海洋工程結(jié)構(gòu)物所受風載荷計算方法。

1 風載荷計算方法比較

目前計算海洋工程結(jié)構(gòu)物風載荷常用的方法主要包括：Blendermann方法、Isherwood方法、Haddara方法、模塊法(Building block method)、OCIMF方法。特別是OCIMF方法提供了超大型船舶風載荷的計算方法并給出了不同球鼻艏和不同載況下的風載荷系數(shù)[6]。

對上述各個方法選用參數(shù)的比較見表1。

表1中 Isherwood方法所需參數(shù)最多，模塊法的參數(shù)多少與模塊劃分多少有關，另外Blendermann方法中參數(shù)的取值是根據(jù)船型確定的。

表1 各個方法選用參數(shù)的比較

注：AL-船舶水線以上的側(cè)投影面積；AF-船舶水線以上的正投影面積；Ass-船舶上層建筑的側(cè)投影面積；Loa-船舶總長；B-船寬；c-船舶水線以上部分側(cè)投影面積的周長(除去桅桿和通風筒等細長物體以及水線長度)；d-船舶水線以上部分側(cè)投影面積形心到船艏的距離；m-船舶側(cè)投影面積中桅桿或中線面支柱的數(shù)目；Cd1、Cdq、δ、a0～a6、b0～b6、ξi、ζi、Csi、Chi取值見對應的參考文獻。

2 實例計算及比較分析

以一艘大型油船為例，分別采用上述風載荷計算法對風載荷進行計算。油船總長351.4 m，船寬55.4 m，設計吃水23.5 m，橫向、縱向受風面積分別為1 131.79和3 401.47 m2。

為方便風載荷的計算，建立坐標系，見圖1。

圖1 風載荷計算坐標系示意

采用上述幾種方法計算該大型油船風載荷系數(shù)，與實驗結(jié)果的比較見圖2。

由圖2a)可見，隨著風向角的增大，x方向上的風載荷系數(shù)變化趨勢為先由大逐漸減小，在90°附件時為零，后由小逐漸增大。當風向角較小時，幾種方法的計算結(jié)果與實驗結(jié)果吻合較好，與實驗結(jié)果相比，在30°～70°之間Isherwood方法和模塊法的計算結(jié)果相對偏大；OCIMF方法的計算結(jié)果相對偏小；Haddara方法的計算結(jié)果當風向角在90°以內(nèi)時相對偏小，在90°以外時相對偏大；在150°～180°之間，Isherwood方法、OCIMF方法和模塊法計算結(jié)果偏大;Haddara方法與Blendermann方法與實驗結(jié)果相吻合。根據(jù)圖2容易看出，在風向角的整個變化范圍內(nèi)，Blendermann方法的計算結(jié)果均與實驗結(jié)果吻合較好。

圖2 幾種方法計算大型油船所受風載荷 系數(shù)與實驗結(jié)果的比較

圖2b)表明,隨著風向角的增大，y方向上的風載荷系數(shù)變化趨勢為先由小逐漸增大，在90°附近時達到最大，后由大逐漸減小。模塊法計算結(jié)果偏大，Haddara方法計算結(jié)果偏小并在100°附近取得最大值，在0～10°之間出現(xiàn)負值，與其它方法以及實驗數(shù)據(jù)相差很大；Isherwood方法、OCIMF方法和Blendermann方法在0～90°之間計算結(jié)果與試驗數(shù)據(jù)比較吻合，Isherwood方法在90°～180°之間計算結(jié)果與Haddara幾乎一致，與實驗結(jié)果相比偏小；而OCIMF方法在90°～180°之間計算結(jié)果比實驗結(jié)果大很多，特別是在130°以后相差更大；Blendermann方法計算結(jié)果在90°～180°之間與實驗結(jié)果最為吻合。

3 結(jié)論

1) Blendermann方法計算風載荷系數(shù)比較準確，其計算風載荷系數(shù)的參數(shù)與船型有關，這些參數(shù)是來自大量實驗，根據(jù)船舶種類的不同選擇不同的計算風載荷系數(shù)參數(shù)是切合實際情況的。

2) 其它方法計算結(jié)果與實驗結(jié)果相差相對比較大，原因在于方法本身，例如，Isherwood公式回歸時所選樣本船只有11艘，適用范圍有限，另外參數(shù)過多使得計算結(jié)果誤差較大。

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